固体绝缘介质中的空间电荷效应：测量、危害与应用

  《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。

  同济大学资深教授张冶文与哈尔滨理工大学雷清泉院士等人合作，在《科学通报》发表长篇综述论文，详细的介绍了固体绝缘介质中空间电荷的测量技术的发展与实际应用、空间电荷的行为机理仿真、空间电荷的抑制方法、空间电荷的功能性应用等。

  固体绝缘介质中的空间电荷问题是一个由来已久的问题。在20世纪70年代高分子聚合物在允许电压下不导电的材料在电气工程领域中得到普遍应用的初期，研究人员就注意到，在直流电场作用下聚乙烯中存在空间电荷积累，从而引起明显的绝缘性能改变。

  由于缺乏有效的测量方法与技术方法，早期的研究都只是间接地推测空间电荷的作用。在20世纪80年末到90年代初，世界各国有一批研究人员对固体绝缘介质中分布的测量办法来进行了各种尝试与研究，曾经一度出现了数十种空间电荷的测量方法。后续的深入研究表明，其中有些方法的原理在本质上是相同的。

  目前，空间电荷的测量技术大体上分为两大类，分别通过声学效应和热学效应做测量。前者又分为利用外加声脉冲检测电信号的压力波法(Pressure Wave Propagation，PWP)与利用外加高压电脉冲产生声脉冲再通过电声传感器检验测试电信号的电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic，PEA);后者也可以再细分为热脉冲法、激光光强调制法与热阶跃法。自从有了适用的空间电荷分布测量方法，对固体绝缘介质中空间电荷的研究一度成为了研究热点，这对于空间电荷行为的研究有很大的推动促进作用。

  测量与研究电荷陷阱的深度与密度分布是固体绝缘介质中空间电荷研究的另外一个难点问题，至今仍然缺乏有效可信的方法。目前，基本上限于热刺激放电电流法(Thermal Stimulated Discharge Current，TSDC;或Thermal Stimulated Current，TSC)与光刺激放电法(Photo Stimulated Discharge，PSD)。这两种方法均有各自的问题，而且这两种方法所得到的陷阱参数无法相互比较。目前，有学者开始研究用压激电流法(Piezo-Stimulated Discharge，PieSD)测量固体绝缘介质中的空间电荷陷阱，但目前还没有正真获得实际的应用。

  绝缘介质中的空间电荷最直接的影响是它会极度影响直流高压下的绝缘内部的电场分布，从而引起严重的电场畸变。随着空间电荷研究的深入进行，人们陆续发现，空间电荷不单单是直接影响电场，它本身也会导致放电破坏。

  对于具体的电气设备，例如高压直流电缆与储能电容器，甚至是目前的换流变滤波电容器(它有很强烈的直流分量)，空间电荷效应对其性能与运行寿命有着严重的影响。对于航天设备，因为空间辐射诱发产生的空间电荷积累同样会引起绝缘介质的破坏，例如太阳能电池极板的空间电荷损伤。于是，有大量的研究致力于减小绝缘介质中的空间电荷，抑制电荷注入或者减少电荷在介质内部的迁移积累。

  然而，并不是说固体绝缘介质中的空间电荷只有坏作用。对于某一类的功能电介质——驻极体，空间电荷是其特性的基本要素。对于驻极体，希望可以维持稳定持久的空间电荷，尽量不随时间变化，尽量对于温度不敏感。实际上，固体绝缘介质中的空间电荷性质主要是由电荷陷阱的深度、电荷陷阱的密度以及电荷捕获截面决定的，虽然抑制空间电荷积累很不容易，维持稳定不变的空间电荷也同样很困难。

  相对于其他学科，空间电荷的研究中仿真方法的应用是比较落后的，目前还没有实现空间电荷行为的仿真模拟，基本上仍然是实验科学。但是在测量数据的处理与相关信息提取方面，数值仿真有着重要的作用。

  相信此综述对于这一领域的初学的人和工程应用人员都有很好的引领作用。同济大学郑飞虎教授与潘佳萍博士生对于论文的撰写有重要贡献。